基于物聯(lián)網(wǎng)的露天礦智能爆破系統(tǒng)設計研究

韓新平 吳 崇 王明君

(1.遼寧工程技術(shù)大學露天礦山研究院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的露天礦智能爆破系統(tǒng)設計研究

韓新平1,2吳 崇2王明君2

(1.遼寧工程技術(shù)大學露天礦山研究院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

以礦山物聯(lián)網(wǎng)、礦山智能化和采礦自動化、無人化的發(fā)展趨勢為背景，以實現(xiàn)露天礦爆破的智能化為方向，以解決目前露天礦爆破在管理、安全和信息處理方面存在的問題為目的，以現(xiàn)代通信技術(shù)、自動化技術(shù)和軟硬件技術(shù)為基礎，重點研究了露天礦智能爆破的總體架構(gòu)、核心內(nèi)容、關鍵技術(shù)等。設計的主要內(nèi)容：①露天礦用鉆機的自動鉆進與行走流程、鉆孔精確定位與導航、穿孔數(shù)據(jù)記錄、易損件和消耗件信息記錄等功能;②適用于露天礦爆破工程的通信網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫;③露天礦監(jiān)控與爆破設計軟件。該系統(tǒng)在實踐中得到了良好應用。

物聯(lián)網(wǎng) 礦山智能 爆破系統(tǒng) 露天礦

目前，我國露天礦山的全自動化系統(tǒng)尤其是千萬噸級全自動化系統(tǒng)，主要采用國外先進技術(shù)，引進成本高、維護不便，亟需進行自主研發(fā)和裝備研制[1]。爆破是露天礦山生產(chǎn)自動化與智能化的重要環(huán)節(jié),穿爆工作的好壞直接影響礦山后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全與效益,如露天作業(yè)計劃、采裝、運輸、邊坡穩(wěn)定等。雖然近些年來我國在露天礦山安全生產(chǎn)和和爆破技術(shù)上有了很大的提高，但在數(shù)字化、自動化，信息化和管理等方面仍有不足，在自動穿孔、定量裝藥、現(xiàn)場監(jiān)控、人員設備管理、安全管理、穿孔爆破設計等方面的水平需進一步提高，以實現(xiàn)露天礦爆破的智能化[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)

以物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)[3]為紐帶，構(gòu)建以互聯(lián)網(wǎng)為平臺的智能化露天礦爆破施工體系。如圖1所示。

1.1 網(wǎng)絡的架構(gòu)

應用層主要包括管理和技術(shù)人員需要的爆破設計軟件，監(jiān)控軟件，可通過網(wǎng)頁瀏覽當前數(shù)據(jù)庫中的信息以便了解工程施工狀態(tài)；也包括鉆機自動化的各種應用[4]。

網(wǎng)絡層采用了支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)，即第三代移動通信技術(shù)，能夠同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上，同時信號覆蓋面積大，保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性。同時，與有線互聯(lián)網(wǎng)和辦公局域網(wǎng)相結(jié)合，完成了物聯(lián)網(wǎng)應用層與感知層間的通信。

圖1 智能爆破系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

感知層主要包括了人員和設備的定位與通信模塊，以及滿足智能爆破需求的鉆機上的各種傳感器[5]。

1.2 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)

技術(shù)人員通過爆破設計終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器內(nèi)，鉆機通過無線網(wǎng)絡將穿孔設計讀入到鉆機工控機內(nèi)，鉆機操作人員根據(jù)導航界面提示自動或手動定位到炮孔位置，鉆機根據(jù)相關傳感器數(shù)據(jù)自動完成設計鉆深的鉆孔工作。在現(xiàn)場意外變動時，可根據(jù)設備人員管理終端的授權(quán)快速布孔或額外鉆孔。

爆破組工作人員從網(wǎng)絡接收鉆孔的裝藥設計，根據(jù)GPS定位模塊和裝藥車自動化設備，逐孔定量裝藥。在起爆時，通過平板電腦接收爆破警戒線和人員設備的位置信息?，F(xiàn)場的相關信息，包括鉆機的各種傳感器數(shù)據(jù)，火工品用量，鉆機組和爆破組成員的工作情況和記錄等相關信息，以及視頻和音頻等相關資料通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器中[6]。網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)

2 鉆機平臺主要包括的功能

鉆機是露天礦穿孔爆破的核心設備，是大量傳感器、監(jiān)控設備、顯示設備、機械設備、通信設備的載體，是露天礦智能爆破的重要組成部分。如圖3所示，工控機通過can接口與控制器通信，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送指令，接收攝像錄音數(shù)據(jù)，與3G無線網(wǎng)絡相連，通過觸屏液晶顯示器、can數(shù)據(jù)線相關驅(qū)動庫函數(shù)、Visual Studio應用程序開發(fā)平臺、新一代Windows 8觸控操作系統(tǒng)相結(jié)合開發(fā)相關功能軟件。

圖3 控制顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 履帶鉆機的運動機構(gòu)

履帶鉆機采用履帶作為行走裝置，可以實現(xiàn)整體向前，向后，轉(zhuǎn)彎行駛和原地轉(zhuǎn)向等。履帶鉆機通過控制左右履帶的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，由于爆破現(xiàn)場的地面起伏，轉(zhuǎn)向軌跡的可控性較差。忽略了轉(zhuǎn)向離心力、阻力、接地壓力、縱向滑移、橫向滑移等非線性因素，采用理想模型分析。見圖4所示。

圖4 履帶行走參數(shù)

圖4中，P為履帶對稱中心，O為轉(zhuǎn)向瞬心，R0為P點瞬時轉(zhuǎn)向半徑，R1為鉆孔X的瞬時轉(zhuǎn)向半徑，B為履帶跨距，D為X到直線OP垂直距離，C為P點到履帶中心線的距離，V1和V0分別表示外內(nèi)側(cè)履帶速度。其中，

(1)

(2)

在非理想狀態(tài)下，R1存在實測經(jīng)驗誤差μ，那么實際的鉆孔X的瞬時轉(zhuǎn)向半徑為

(3)

2.2 鉆孔的精確定位與導航

GPS定位模塊通過露天礦現(xiàn)場RTK技術(shù)的精度修正，抗干擾能力強，可以使孔間的定位精度誤差達到厘米級。根據(jù)技術(shù)人員傳輸過來的穿孔設計，顯示在鉆機操作人員面前。顯示界面包括鉆機坐標、鉆桿坐標、鉆孔孔口坐標、鉆孔傾斜方向和角度、設計鉆深、已鉆進深度、設計裝藥量、已裝藥量、鉆渣范圍、鉆機自動行走路線、鉆孔鎖定狀態(tài)、爆破邊界線[7]。

如圖5所示的導航界面,A為鉆孔位置，P為已鎖定的目標鉆孔位置，AC和AD分別為R2±μ的誤差邊界線，當P點位于AC、AD誤差邊界線所夾范圍內(nèi)時，保持當前左右履帶速度，否則可在手動模式或自動模式下調(diào)整左右履帶速度使得P點鉆孔重回范圍內(nèi)。

圖5 鉆機的導航與搜索方式

如圖6所示，當鉆機距離導航鎖定目標鉆孔距離小于2 m時，導航行界面為大圖標顯示，便于觀察。界面實時顯示鉆機距該孔距離，鉆機開始減速。界面中已完成裝藥鉆孔為實心圓孔，已完成作業(yè)鉆孔顯示為實際鉆深的環(huán)形孔，未作業(yè)鉆孔顯示為實際鉆深圓形孔。實線為坡頂線，虛線為坡底線，當鉆機機身距離坡頂線最短距離為1 m時，發(fā)出危險預警。

圖6 鉆機鎖定與抵達鉆孔顯示

如圖7所示,當鉆機距離導航鎖定鉆孔距離小于1 m時，界面切換到實際比例導航模式。黑色圓環(huán)為已鉆孔鉆渣范圍，左側(cè)顯示設定鉆深，右側(cè)顯示實際鉆深。矩形框為鉆機大小，內(nèi)部為履帶大小、運行方向。鉆機到達目標導航鉆孔后，鉆孔顯示十字鎖定，同時，實時顯示實際鉆深和設定鉆深。

圖7 鉆機鎖定鉆孔并進鉆顯示

鉆機可在自動行走程序的控制下，按照穿孔設計自動設計行走路線，行駛到鉆孔坐標附近并逐漸鎖定鉆孔位置自動鉆進。在必要情況下，如存在散落石塊、地形起伏較大和電纜阻礙的情況下可切換到手動導航與行走狀態(tài)。手動導航狀態(tài)下鉆機的全景式行走系統(tǒng)工作，最大程度地避免駕駛員的視覺盲區(qū)。當鉆機在行走超出爆破邊界線范圍，鉆機停止行走并警報，指示回退到爆破邊界線范圍之內(nèi)。

2.3 鉆機的自動穿孔

以中大型的露天礦用鉆機為例，其鉆桿與地面角度為90°～70°，無托架。鉆機采用3個GPS定位模塊和傾角傳感器定位鉆機、鉆桿和鉆孔三維空間位置，接收爆破設計，按設計路線自動行走穿孔。由于鉆機自動調(diào)平速度緩慢，在鉆機與水平傾角較小情況下，將省去調(diào)平環(huán)節(jié)。自動穿孔的流程如圖8所示。

圖8 鉆機自動穿孔流程

當鉆機的工作面為斜孔時，行走路線如圖9所示。設計鉆孔傾角為70°，鉆機從1號節(jié)點位置出發(fā)，到2號節(jié)點完成轉(zhuǎn)向動作，經(jīng)過2號節(jié)點自動導航至4號節(jié)點完成穿孔動作，向后行走返回5號節(jié)點，轉(zhuǎn)向向后行走至6號節(jié)點轉(zhuǎn)向7號節(jié)點，繼續(xù)行走與穿孔動作。每個節(jié)點對應1個動作，節(jié)點位置可以重合，按照數(shù)字順序完成行走和穿孔設計。

當鉆機工作面為垂孔時，行走路線如圖10所示。由A點出發(fā)經(jīng)過各個節(jié)點完成行走穿孔動作。當鉆機與邊界線過近時也可采用斜孔的行走路線。

圖9 鉆機鉆進斜孔路線

圖10 鉆機鉆進直孔路線

2.4 快速布孔功能

由于爆破施工現(xiàn)場的環(huán)境復雜，當需要對單孔位置調(diào)整或爆破方案臨時變更時，需要向技術(shù)人員申請權(quán)限，重新快速布孔。

2.5 全景式行走影像

鉆機在自動行走或手動行走時，可能會遇到石塊、土堆、水坑、電纜等情況，全景式行走影像解決了鉆機駕駛?cè)藛T的視角盲區(qū)，減輕了鉆機操作人員的工作壓力，精簡了工作人員數(shù)量，提高了工作效率和安全性。

2.6 濕式除塵裝置

采用變頻供水濕式除塵裝置，能根據(jù)工作氣壓和巖石狀況精密調(diào)節(jié)供水量，既不影響鑿巖速度，又能最大限度地降低工作面粉塵。

2.7 鉆機設備與人員管理

記錄易損件、消耗件生命周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、工作時長、鉆進距離，更換信息，記錄鉆機各個設備的工作時間、工作參數(shù)、維修情況等等。鉆機工作人員需要通過指紋識別啟動鉆機、完成考勤記錄、鉆孔作業(yè)日志等。記錄穿孔過程中的穿孔數(shù)量，當班產(chǎn)量，鉆進總數(shù)，鉆孔信息爆破方量等。通過攝像頭和音頻設備記錄現(xiàn)場工作人員狀態(tài)，以及管理人員實時遠程查看現(xiàn)場情況[8]。

3 爆破相關功能設計

3.1 鉆孔的定量裝藥

裝藥車裝配3G通訊與GPS導航模塊，通過工控機接收鉆機裝藥設計數(shù)據(jù)，并導航至鉆孔位置，發(fā)送指令給PLC控制器控制炸藥的裝藥量，大大降低了裝藥成本。

3.2 爆破預警

爆破組工作人員通過平板電腦爆破預警軟件接收爆破警戒線和人員設備的位置信息，在確認所有人員和設備在設定警戒線范圍外時，將相關信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)控終端，向管理人員申請起爆權(quán)限。顯示界面如圖11所示，實心十字圖形表示鉆機與裝藥車當前位置，六角形為1號鉆機工作人員，六邊形為1號爆破組工作人員。

圖11 爆破警戒范圍顯示

3.3 穿孔爆破設計與監(jiān)控平臺

平臺軟件基于AutoCAD二次開發(fā)，采用AutoCAD.NET在Visual Studio應用程序開發(fā)平臺下使用C#語言開發(fā)，并以SQL為后臺數(shù)據(jù)庫支持。將鉆機傳感器數(shù)據(jù)、視頻音頻資料、人員與設備管理數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、穿孔爆破設計圖紙等存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，對工作人員依據(jù)權(quán)限開放數(shù)據(jù)資料內(nèi)容，從而加強了數(shù)據(jù)資料的保密措施。工作人員也可通過互聯(lián)網(wǎng)和web服務器訪問數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，從而得知當前的爆破作業(yè)情況、相關人員資料和相關歷史數(shù)據(jù)等。

3.4 作業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控

通過3G無線網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)可將爆破作業(yè)現(xiàn)場的視頻音頻實時傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，控制傳輸畫面質(zhì)量，可有效減低畫面延遲與卡頓。監(jiān)控終端實時顯示鉆機操作人員、設備運行情況與現(xiàn)場情況，通過遠程操控獲得所需畫面，對違反相關規(guī)定的行為提供證據(jù)，對現(xiàn)場突發(fā)情況做出判斷與決策。

鉆機、車輛和工作人員的GPS定位信息實時顯示在屏幕界面上，以礦區(qū)地圖為背景,當鉆機車輛發(fā)生故障或事故、人員發(fā)生事故時，便于快速定位與搜尋。數(shù)據(jù)更新時間設定為默認1 s，并可根據(jù)實際情況調(diào)整。當界面縮小至整個礦區(qū)圖時，人員、設備和車輛概要顯示，六角形為鉆機1、2組，六邊形為爆破1組，三角形為經(jīng)理車輛。如圖12所示。

圖12 工作設備與人員顯示

當界面在選定位置放大時，選定單個或多個圖像，可得知對象的詳細信息。如圖13所示，白色圓點表示鉆孔已裝藥完成，空心圓表示鉆孔完成，實心十字圖形與矩形表示鉆機與裝藥車當前位置，六角形為1號鉆機工作人員，六邊形為1號爆破組工作人員。

圖13 工作設備與人員的實時監(jiān)控

4 穿孔爆破設計終端與數(shù)據(jù)庫

計算機終端穿孔爆破設計軟件通過測量人員所測得作業(yè)現(xiàn)場的地形坐標數(shù)據(jù)形成地形平面圖，并在平面圖上進行布孔設計，使用終端軟件完成裝藥設計、起爆網(wǎng)絡設計，由鉆機完成穿孔和裝藥計算后，數(shù)據(jù)傳至爆破組工作人員最終確認或修改起爆網(wǎng)絡設計[9]。將整個智能爆破系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時地記錄、傳輸并保存到數(shù)據(jù)庫當中，這些歷史數(shù)據(jù)作為研究資料為以后的爆破技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎[10]。

5 結(jié) 語

研究露天礦智能爆破的總體架構(gòu)、核心內(nèi)容、關鍵技術(shù)等主要問題，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代通信技術(shù)、自動化技術(shù)和軟硬件技術(shù)的支持下，以露天礦用鉆機為主要技術(shù)平臺，使得露天礦爆破實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡化、可視化、精細化和智能化。促進了露天礦爆破的安全、高效發(fā)展，在露天礦的應用中收到了良好的效果。

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(責任編輯 徐志宏)

Design of Intelligent Blasting System in Open Pit Mine Based on Internet of Things

Han Xinping1,2Wu Chong2Wang Mingjun2

(1.ResearchInstituteofOpenPitMine，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China；2.MiningInstitute，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

With the trend of the development of Internet of things in mine，intelligent mining，mining automation and unmanned mine as background，in order to achieve intelligent direction and solve the problems in management，security and information processing of open-pit blasting，modern communication technology，automation technology and software and hardware technology are used to focus on the overall architecture，core content and key technology of open-pit mine intelligent blasting.Functions such as the open pit mine drill automatic drilling and walking process，drilling precise positioning and navigation，perforation data record，wearing parts and consumable parts information records and others are investigated and designed.Research and design on communication network and database for the open-pit blasting，and blasting monitoring and blasting design software of the open pit mine are made.The system has good performance in practical application.

Internet of things technology，Intelligent mining，Blasting system，Open pit mine

2015-01-04

韓新平(1956—)，男,教授，碩士研究生導師。

TD235.1

A

1001-1250(2015)-04-250-05